100立方LNG储罐在液化天然气储运及安全问题分析

摘要：随着世界和我国LNG工业的发展，LNG工业产业的完整链系包括上游天然气的开采、液化储运、气化、销售等环节，其中主要环节为液化站、LNG运输和供气站三个接点。而LNG储运及安全问题是整个LNG产业链中尤为重要的环节。本文在简述了LNG 特性和储运方式后，分析了LNG 储运中的安全问题及危险因素，提出了相应的安全措施。LNG是天然气储存和输送的一种有效的方法，在实际应用中，LNG也是要转变为气态使用，因此，在考虑LNG设备或工程的安全问题时，不仅要考虑天然气所具有的易燃易爆的危险性，还要考虑其转变为液态以后，其低温特性和液体特征所引起的安全问题，并进行安全技术管理与评价。

       关键词：LNG  LNG特性 LNG储运  LNG安全

      Abstract: With the development of world and China's LNG industry, LNGindustries' complete chain system includes upstream gas exploration,liquefaction storage, gasification, marketing and other aspects, the main partincluding the liquefaction stations, LNG transportation and gas station. Thestorage, transportation and security of LNG is particularly important in theentire LNG chain. This paper outlines the features of LNG, LNG storage andtransportation methods, the analysis of security issues in the LNG storage andrisk factors and the corresponding security measures. LNG is an effective wayof the natural gas storage and delivery. In practical applications, LNG is usedafter it is transformed into a gaseous state. Therefore, when considering thesafety of LNG facilities or engineering problems, not only consider that thenatural gas has the explosive risk, but also consider its low-temperatureproperties and characteristics of the liquid caused by safety issues after itbecomes liquid,, and making the eva luation of the safety and technicalmanagement.
       Keywords: LNG，LNGfeatures，storageand transportation of LNG，LNGsafety

       1.前言
       LNG(液化天然气)是一种经天然气净化并深冷液化而成的液体，它是以甲烷为主要成分的低温液态混合物，其体积约为气态时的1/600，它是一种清洁、优质燃料。液化了的天然气更有利于远距离运输、储存，使天然气的应用方式更灵活、范围更广，主要体现在以下几方面：①LNG 便于经济可靠的运输，方便灵活，适应性强；②储存效率高，占地少，投资省；③有利于城市燃气负荷的调节，同时可以利用LNG 的冷能，如冷藏、冷冻、温差发电等；④LNG 可用作优质的车用燃料，具有抗爆性好、燃烧完全、排气污染少、发动机寿命长、降低运输成本等优点；⑤有利于保护环境，减少城市污染，属于国家重点扶持的新兴环保产业。目前，我国LNG 产业正处于起步阶段。国内已建有数套LNG 生产装置，其中分别位于上海、广东、福建等沿海城市。随着国家对能源结构、能源安全和环境治理的重视，一批规模更大的LNG 工厂和进口LNG 接受终端正在紧锣密鼓地筹建中。因此，100立方LNG储罐在液态天然气（LNG）储运及安全问题是摆在我们面前的一个重要课题。

       2.LNG基本特性
       LNG主要成分为甲烷，另外还含有少量的乙烷、丙烷、N2及其他天然气中通常含有的物质。LNG的密度取决于其组分，通常为430～470kg/m?，甲烷含量越高，密度越小；密度还是液体温度的函数，温度越高，密度越小。LNG的沸腾温度也取决于其组分，在大气压力下通常为-166～-157℃。LNG储存在绝热储罐中，任何热量渗漏到罐中，都会导致一定量的液体气化为气体，这种气体就叫做蒸发气。蒸发气的组成取决于液体的组成，一般地，LNG蒸发气含有20% 的N2，80% 的甲烷及微量的乙烷。LNG的溢出与扩散：LNG倾倒至地面上时，最初会猛烈沸腾蒸发，后蒸发率将迅速衰减至一个固定值，蒸发气体沿地面形成一个层流，从环境中吸收热量逐渐上升和扩散，同时将周围的环境空气冷却至露点以下，形成一个可见的云团，可作为蒸发气体移动方向的指南，也可作为气体空气混合物可燃性的指示。LNG具有天然气的易燃易爆特性，在-162℃的低温条件下，其燃烧范围为6%～13%(体积百分比)；LNG着火温度随组分的变化而变化，重烃含量的增加使着火温度降低。
       熟悉理解LNG的基本特性，有利于正确认识来自LNG 的危险因素，并进行安全问题分析与处理。

       3.LNG储存运输
          3.1 LNG储存
          在基地型LNG 生产厂、调峰型LNG工厂和LNG接收终端,以及在LNG 运输过程中，LNG储存是不可或缺的重要环节,储存设施所占投资比例相当大。LNG 的储存方式有储罐储存和岩腔中储存,储罐储存是最主要的储存方式。LNG储罐分地面储罐和地下储罐两种。 100立方LNG储罐的结构很像暖水瓶，是双层结构，内胆存储低温液体，它要承受介质的压力和低温，所以制作内胆的材料必须采用耐低温合金钢；外壳的作用是为了形成内胆的绝热层，它使外壳与内胆之间保持一定距，形成绝热空间，并通过支撑装置固定内胆，它要承受内胆和介质的重力载荷以及绝热层的真空负压。低温储罐绝热性能的一个重要技术指标，叫做蒸发率，对LNG储罐一般为=＜0.2%，它表示的是一天24小时中，由于储罐绝热层泄露而使得外部热量传入储罐内胆，导致气化的液体体积与储罐容积的百分比。低温储罐的接口与LPG储罐相似，有气相接口、进液口、出液口和液位检测口。不同的是，由于绝热和内部结构原因，所有接口都集中在储罐的一个封头上，一般不能随处开口。比如，安全阀是安装在气相管上的，不单独开口；一般也不单独设置排污口。另外需要特别说明的是，进液管一般有两个，一个下部进液管，还有一个上部进液管。

       3.2 LNG运输
       天然气的输送,凡管道能直达的地区,以管道输送为好。当管道难以直达或敷设管道不经济时,特别是跨洋运输天然气,则以液化天然气形式采用油轮运输较为经济。
       3.2.1槽车运输
       运输距离短、数量不大的LNG输送,可采用公路槽车运输。用公路槽车运输深冷液体已有多年历史,国内外技术都十分成熟。超过一定距离,采用铁路槽车运输LNG 比采用公路槽车较为经济。

       3.2.2 LNG船舶运输
       多年以来，在LNG 国际贸易中，主要采用专用油轮进行LNG 跨洋运输。LNG 船舶主要有两种，球式和膜式。两种类型LNG 船舶的主要不同是：①一些老的膜式船舶由于多孔，在主膜屏障内遭受气体浓度困扰，尽管由于氮气不断地净化，不会成为严重威胁，但也应引起注意。②膜式船舶比球式船舶有更快的冷却时问，常见的为9～10h。③膜式船舶在相同装载能力下外形小。结构需要钢材也较少，这也导致了净空高度减小，并且降低费用。④球式船舶相对于膜式船舶而言，对一些货物装载的限制较少
       3.3.3管道输送
       目前，在陆地上，由于受到管道低温输送技术、经济、气源等各方面的影响，世界上约75% 的天然气仍采用常态管道方式输送的方式。只在LNG调峰装置和油轮装卸设施上设有LNG低温管线，还没有长距离LNG管线的实例。长距离LNG管线的初期投资较大，受气源的限制较大。

       4.LNG安全问题分析
       4.1LNG具有的危险性
       4.1.1低温的危险性
       人们通常认为天然气的密度比空气小，LNG泄漏后可气化向空气飘散，较为安全。但事实远非如此，当LNG泄漏后迅速蒸发，然后降至某一固定的蒸发速度。开始蒸发时其气体密度大于空气的密度，在地面形成一个流动层，当温度上升到约-110℃以上时，蒸气与空气的混合物在温度上升过程中形成了密度小于空气的“云团”。同时，由于LNG泄漏时的温度很低，其周围大气中的水蒸气被冷凝成“雾团”，然后LNG再进一步与空气混合过程中完全气化。LNG的低温危险性还能使相关设备脆性断裂和遇冷收缩，从而损坏设备和低温冻伤操作者。

       4.1.2BOG的危险性
       虽然LNG存在于绝热的100立方LNG储罐中，但外界传入的能量均能引起LNG的蒸发，这就是BOG（Boil ofGas）蒸发气体。故要求100立方LNG储罐有一个极低的蒸发率，要求储罐本身设有合理的安全放空系统，否则BOG将大大增加，严重者使罐内温度、压力上升过快，直至储罐破裂。

          4.1.3 着火的危险性
       天然气在空气中百分含量在5%～15%（体积%）时，遇明火可产生爆燃。因此，必须防止可燃物、点火源、氧化剂（空气）这三个因素同时存在。
          4.1.4 翻滚的危险性
       通常储罐内的LNG长期静止将形成两个稳定的液相层，下层密度大于上层密度。当外界热量传入罐内时，两个液相层引发传质和传热并相互混合，液层表面也开始蒸发，下层由于吸收了上层的热量，而处于“过热”状态。当二液相层密度接近时，可在短时间内产生大量气体，使罐内压力急剧上升，这就是翻滚现象。

          4.1.5 对人生理上的影响
       人暴露在体积分数为9％以上的CH4气氛中会引起前额和眼部有压迫感，但只要恢复呼吸新鲜空气，就可消除这种不适的感觉。如果持续地暴露在这样的气氛环境下，会引起意识模糊和窒息。甲烷是一种普通的窒息性物质。
       虽然LNG蒸气是无毒的，如果吸进纯的LNG蒸气，人迅速失去知觉，几分钟后死亡。当大气中的氧的含量逐渐减少时，工作人员有可能察觉不到，慢慢地窒息，待到发觉时已经很晚了。LNG缓慢窒息的过程分成4个阶段，见表1。
       表1  LNG对人窒息的生理特征
       Table1. LNG on human physiological characteristics of suffocation
       阶段 氧气的体积分数 生理特征
       第一阶段 14％～21％ 脉搏增加，心跳加快，影响呼吸
       第二阶段 10％～14％ 判断失误，迅速疲劳，对疼痛失去知觉
       第三阶段 6％～10％ 恶心，呕吐，虚脱，造成永久性脑部伤害
       第四阶段 <6％ 痉挛，呼吸停止，死亡
       当空气中氧气的体积分数低于10％，天然气的体积分数高于50％，对人体会产生永久伤害。在这情况下，工作人员不能进入LNG蒸气区域。

       4.2LNG安全对策

       根据LNG 的特性以及LNG 储运生产的实际过程，我们可以得出以下几点LNG 的安全问题4.2.1 LNG气化超压爆炸
       LNG超压爆炸，这与LNG处于沸腾(或接近于沸腾)状态有关。在LNG储槽中，LNG处于沸腾状态，当外来的热量传入时会导致LNG气化使压力超高，从而致使安全阀打开，造成泄漏，引起火灾和爆炸。为避免这种危险，应采取特殊处理的方法：①轻LNG从槽底进料，或重LNG从槽顶进料，或两者结合使用；②在槽内安装自动密度仪，以检测不同密度的层；③用槽内泵使液体从底至顶循环；④保持LNG 的的含氮量低于1%，并且密切监测气化速率。
       4.2.2LNG的泄漏
       由于低温操作，金属部件会出现明显的收缩，在储槽系统的任何部位尤其是焊缝、阀门、法兰、管件、密封及裂缝处，都可能出现泄漏和沸腾蒸发。特别是在储运过程中，由于对储存容器的振动时间长，更容易出现泄漏的情况。如果不及时对部件加固和封闭这些蒸气，它就会逐渐上浮，且扩散较远，容易遇到潜在的火源，引起火灾或爆炸等事故。

       4.2.3LNG火灾
       LNG蒸气遇到火源着火后，火焰会扩散到氧气所及的地方。游离云团中的天然气处于低速燃烧状态，云团内形成的压力低于5kPa，一般不会造成很大的爆炸危害。燃烧的蒸气就会阻止蒸气云团的进一步形成，然后形成稳定燃烧。当蒸气和空气混合达到爆炸的极限时，就会发生爆炸或爆轰，造成更大的事故。
       4.2.4低温冻伤
       由LNG是-162℃的深冷液体，皮肤直接与低温物体表面接触会产生严重的伤害。直接接触时，皮肤表面的潮气会凝结，并粘在低温物体表面上。这时如硬将皮肤从低温表面撕开，就会将这部分皮肤撕裂，所以当戴湿手套工作时应特别注意。当皮肤与低温物体粘接后，可用加热的方法使皮肉解冻，然后再揭开。

       5.LNG安全防护
       通过上面对LNG 性质以及储运中的危险问题分析，可以在以下方面采取相应的安全措施：
       5.1 工艺装置安全设计
       LNG 装置本身的可靠性是保证LNG 设施安全运行的重要前提，因此遵循标准和规范进行设计是十分必要的。
       5.2 防泄漏可燃气体探测系统
       一般可以通过目测和大型的可燃气体探测器的方法（如红外、紫外探测仪、烟雾燃烧监测仪、低温探测装置和LNG 压力测试装置等）来探测LNG 的泄漏。用目测的方法所见到的特征为储运装置外表又云雾状；而用探测器时，闭路电视系统可以监测所有LNG 设备的工作状况，一旦发生泄漏、外溢、气化等，应急操作就会被激活，操作工就能及时采取相应的控制措施进行处理。因此，连续的自动探测系统比人工探测具有更大的优势，因为它们比人工探测更准确可靠。

       5.3 事故应急系统
       LNG 设施应包括事故切断系统(ESD)、应急报警系统等事故应急系统，就是当储运或卸货装置不在设计参数范围内工作的时候，中断操作，切断或关闭LNG、易燃液体、易燃致冷剂或可燃气体来源，并关闭继续运行将加剧或延长事故的设备。ESD 等应急系统应具有失效保护设计，当正常控制系统故障或事故时，使失效的可能性、事故影响和损失最小。
       5.4 静电导出与消防水系统
       由于LNG 在装卸与储运过程中，LNG 与储槽、管道产生磨擦，使储槽或管道带上静电，因此，在LNG相应的设备上设静电导出。消防水系统是用于当LNG 泄漏时，用水来控制LNG 蒸汽云团的扩散，即使用带水位控制器的水幕或手握软管喷水使LNG 蒸气云团改道，避免风将蒸气团移向会点燃该蒸气团的运行设备，但同时，水也会给蒸气带来额外的热量，造成云雾更快地浮动并向上扩散。在有火灾的情况下，为了避免热辐射，一些设备需要大水作保护。在处理LNG 失火时，推荐使用干粉(最好是碳酸钾) 灭火器，注意任何情况下不要在LNG储槽的大火中使用水，水会增大气化速率因而会将火焰高度增大6 倍，辐射热增大3 倍，从而造成LNG 的冷爆炸。

       5.5 泡沫控制蒸气扩散及辐射系统
       泡沫迅速膨胀，可阻止LNG可燃蒸气的迅速扩散，并且在蒸气遇到火源着火后，可减少辐射量，泡沫的膨胀率约为500∶1。将泡沫覆盖在LNG表面，由于热量增加，会使LNG 的气化率增大，气化后的LNG蒸气穿过泡沫，温度升高，向上飘浮。这样，LNG蒸气就像烟雾一样向上浮而不会沿着地面扩散，从而大大减少扩散区。如果是将泡沫覆盖在燃烧的LNG上，就会降低气化率，从而减小火势。热辐射量也就会随火势的减小而减少。

       5.6 低温冻伤预防及急救
       在处理与低温液体或蒸汽相接触或接触过的任何东西时，都应戴上无吸收性的手套( PVC 或皮革制成)，手套应宽松，这样如发生液体溅到手套上或渗入手套里面时，就可容易地将手套脱下，同时注意使用面罩或护目镜来保护眼睛。当进行LNG 泄漏堵漏时，应急救援人员必须全身着防冻衣，以免液态LNG 喷溅至人体造成冻伤。当个体发生冻伤时应该用大量温水(41～46℃)冲洗皮肤冻伤处，不可使用干燥加热的方法，应将伤员移至温暖的地方(约22℃)。如果不能得到立即诊治，就应刻不容缓地将伤者送至医院。

       5.7防过度振动装置
       由于LNG 在储运的过程中，难免出现LNG 容器的振动现象，比如槽车运输时的路况、管道输送时的地震、LNG船舶运输时的风浪等影响因素，都会对装置产生影响。因此，在LNG 的储运过程中，对装置采用一些防振动措施。
       5.8生产安全管理应到位：
         （1）做好岗位人员的安全技术培训：包括LNG站工艺流程、设备的结构及工作原理、岗位操作规程、设备的日常维护及保养知识、消防器材的使用与保养等，都应进行培训，达到应知应会要求。
         （2）建立各项安全生产制度。  
       （3）建立事故应急抢险救援预案：预案应对抢险救援的组织、分工、报警、各种事故（如LNG少量溢出、大量溢出、直至着火等）的处置方法等，应详细明确。并定期进这行演练，形成制度。
         （4）加强消防设施的管理：重点对消防水池（罐）、消防泵、LNG储罐喷淋设施、干粉灭火设施、可燃气体报警设施要定期检修（测），确保其完好有效。

       5.9安全策略
       采取必要的安全措施预防事故发生，以保证LNG储运的安全：①力争设备本质安全：100立方LNG储罐、管道在选材、设计、加工、制造和安装过程以及管理中，应严格按照有关规范、标准进行，确保LNG设备的质量；②避免LNG憋压：对LNG储运时，采用基本充装的方式，以免发生LNG设备破坏；③加强设备的监测与维护保养；④配齐相应的安全消防与防护设施，以备应急之需。
       除LNG储罐本身具有的安全措施外，工艺管线中要设置安全阀、压力表、紧急切断阀、降压调节阀等安全措施；消防安全方面，要设置消防水池、消防水泵、LNG储罐喷淋降温设施、LNG泄漏导出防护设施。应设置可靠的防雷、防静电设施；设置必要的保冷措施和燃气加臭措施（民用户）。此外还要设置异常情况停气安全连锁系统。LNG站的储存设备、气化设备、输送设备制造安装质量要精良。

       6.小结
       我国尚处于LNG应用起步阶段，LNG在我国的应用空间广阔。展望未来，我国天然气需求旺盛，液化天然气（LNG）产业作为天然气工业的一个重要方面，凭借其自身独特的优势，将促使天然气在发展方式、发展规模、投资成本、生产消费等方面呈现出新的特点，同时进一步带动LNG应用技术的发展。同时，随着LNG在全国的推广应用，如何搞好LNG的安全技术管理已成为一个新课题及100立方LNG储罐的应用。我们要及早动手研究借鉴国内外的标准管理经验并结合我国的实际情况制定相应的地方标准，对LNG站的安全技术问题给予关注和研究，通过不断探索走出一条适合LNG安全技术管理的新路子。